Màng nhiều lớp làm từ vật liệu MXene này có thể uốn cong nhanh chóng và có thể phục hồi lại hình dạng ban đầu khi tiếp xúc với độ ẩm, ánh sáng và dung môi, mang đến khả năng chuyển động ổn định trước nhiều loại tác nhân kích thích khác nhau, ứng dụng trong lĩnh vực robot mềm.

Các vật liệu nhân tạo hiện nay vẫn chưa thể mô phỏng được sự chuyển động linh hoạt và tự nhiên của sinh học, chẳng hạn như lá cây cong lại khi có hơi ẩm, cơ bắp co giãn, hay cánh bướm vỗ nhẹ mà không cần động cơ. Mặc dù có nhiều loại vật liệu phản ứng với môi trường như phồng lên khi có hơi ẩm, giãn ra khi gặp nhiệt, hay co lại dưới ánh sáng, nhưng chúng thường chỉ phản ứng với một loại kích thích, chậm, không ổn định hoặc dễ hỏng hóc sau vài chu kỳ sử dụng. Việc tạo ra một bộ truyền động mềm (soft actuator) nhanh, bền, có thể phục hồi và nhạy cảm với nhiều tác nhân môi trường khác nhau là một thách thức lớn trong lĩnh vực này.

Một nghiên cứu mới trên tạp chí Advanced Functional Materials đã tìm ra giải pháp cho vấn đề trên. Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Trùng Khánh (Trung Quốc) đã phát triển một vật liệu composite nhiều lớp có khả năng phản ứng nhanh với nhiều tác nhân và có độ bền cơ học cao.

Vật liệu này được làm từ tấm nano MXene, ống nano carbon và polyvinyl alcohol (PVA). Nó bao gồm hai lớp: lớp thứ nhất là MXene kết hợp với PVA và lớp thứ hai là ống nano carbon cũng trộn với PVA.

Hai lớp này phản ứng khác nhau khi tiếp xúc với cùng một điều kiện môi trường, tạo ra sự chênh lệch về độ giãn nở hoặc co lại trên toàn bộ màng. PVA đóng vai trò như chất kết dính phân tử, tạo liên kết hydro giữa các vật liệu nano và làm ổn định giao diện của chúng.

Cơ chế hoạt động chính của vật liệu này là sự không đồng nhất về biến dạng (strain mismatch). Khi có hơi nước, lớp MXene phồng lên do hấp thụ độ ẩm, trong khi lớp ống nano carbon hầu như không thay đổi. Sự giãn nở không đều này khiến cấu trúc bị uốn cong. Khi có ánh sáng, lớp MXene nóng lên và giải phóng hơi nước, co lại. Đồng thời, lớp ống nano carbon giãn nở nhẹ do nhiệt. Sự đảo ngược này khiến cấu trúc uốn cong theo hướng ngược lại.

Vật liệu này thể hiện hiệu suất vượt trội trong các thử nghiệm. Đạt góc uốn cong 516 độ trong 0,5 giây ở độ ẩm tương đối 90% và trở lại hình dạng ban đầu trong 1 giây. Dưới ánh sáng cận hồng ngoại, góc uốn cong tăng lên 1128 độ với tốc độ 141 độ/giây, xếp vào hàng những bộ truyền động nhanh nhất. Uốn cong hơn 200 độ khi tiếp xúc với hơi dung môi phân cực như ethanol và acetone. Dung môi không phân cực như hexane không có tác dụng. Vật liệu có độ bền kéo cao, đạt 32,5 megapascal và vẫn giữ nguyên hiệu suất sau 100 chu kỳ sử dụng. Lớp PVA giúp bảo vệ MXene khỏi quá trình oxy hóa, giữ cho điện trở ổn định.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một số sản phẩm thử nghiệm để minh họa ứng dụng của vật liệu này. Bao gồm: một tấm rèm phản ứng với độ ẩm và ánh sáng, tự động đóng hoặc mở; một công tắc điều khiển bằng hồng ngoại để bật đèn LED; một robot mềm có thể đi bộ và một thiết bị hình con bướm có thể vỗ cánh khi tiếp xúc luân phiên với hơi ẩm và ánh sáng.

Những ứng dụng này cho thấy ưu điểm của việc tích hợp nhiều chức năng vào một vật liệu duy nhất. Thay vì phải kết hợp các cảm biến, động cơ và bộ truyền động riêng biệt, màng hai lớp này kết hợp cả cảm biến và chuyển động trong cùng một cấu trúc. Khả năng phản ứng nhanh chóng và ổn định trước nhiều tín hiệu môi trường khác nhau khiến nó trở nên phù hợp cho robot mềm, thiết bị điện tử đeo được và các bề mặt thích ứng.

Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho ngành robot mềm, cho thấy rằng việc kiểm soát chính xác cấu trúc và liên kết hóa học ở giao diện vật liệu có thể tạo ra các bộ truyền động mạnh mẽ, nhanh và ổn định, mở đường cho những cỗ máy trong tương lai có thể tương tác với môi trường thông qua chính cấu trúc của chúng chứ không phải bằng lập trình.

P.T.T (NASTIS), theo https://www.nanowerk.com/ /2025